高烈度區(qū)城市雙層高架橋梁抗震設(shè)計新方案

傅吉興，王明曄，徐 俊

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程背景

某機場航站樓設(shè)置雙層出發(fā)流程，為配合航站樓雙層出發(fā)功能，航站樓前高架橋采用雙層結(jié)構(gòu)型式。

航站樓柱距18 m，樓前雙層高架橋墩與航站樓立柱對齊，景觀效果好，且便于出入口的設(shè)置。結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)跨徑采用36 m，樓前直線段跨徑布置為（36+36+36+36+36）m+（27+36+27）m+（36+36+36+36+36）m=450 m。

工程所在地區(qū)屬高烈度區(qū)，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），本工程場地基本地震動峰值加速度值為0.20g，由上述標(biāo)準(zhǔn)附錄G 查得相應(yīng)的地震烈度為Ⅷ度。根據(jù)工程所在地區(qū)《建筑場地類別區(qū)劃》（2016 版）中表3 確定，場地設(shè)計特征周期Tg為0.43 s。

2 基于抗震要求的橋型結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 城市雙層高架橋梁的工程實例

雙層高架橋梁能夠充分利用空間，在城市有限的道路面積上有效實現(xiàn)交通分流和擴容，是一種高效的交通網(wǎng)絡(luò)解決方案。目前國內(nèi)采用雙層高架結(jié)構(gòu)形式的城市高架橋梁工程主要有上海市共和新路雙層高架橋、武漢寶豐路橋、福州洪山橋西雙層高架橋、寧波北環(huán)快速路雙層高架橋等（見圖1）。上述雙層高架橋通過H 型框架墩使上下層橋梁梁體與橋墩分別通過支座連接或隔震，受力明確，施工便捷，但需考慮H 型墩對凈空的影響。

圖1 既有雙層高架橋

2.2 工程特點分析

（1）雙層高架基礎(chǔ)承擔(dān)的荷載較單層高架更大，要求更輕的結(jié)構(gòu)材料。

（2）本高架上層橋面寬46 m，下層橋面寬35.5 m。橋面寬，結(jié)構(gòu)受力不利，橫梁受力大。

（3）凈空受限，本工程層高僅7 m，凈空4.5 m，要求更薄的結(jié)構(gòu)且不具備設(shè)置H 型墩的條件。

（4）工程所在地區(qū)屬高烈度區(qū)，本工程場地基本地震動峰值加速度值為0.20g，需選用合適的抗震體系。

2.3 雙層高架橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計

從結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)體系、減隔震設(shè)計3 個方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

2.3.1 結(jié)構(gòu)材料

本工程對層高限制較嚴(yán)格，雙層高架系統(tǒng)的層高為7 m，扣除凈空、鋪裝后，結(jié)構(gòu)高度為2.4 m。本工程橫向?qū)挾却?，立柱橫向間距28 m。經(jīng)計算，采用2.4 m結(jié)構(gòu)高的鋼箱梁已經(jīng)是設(shè)計梁高壓縮的極限。如果采用混凝土梁，橫梁結(jié)構(gòu)高度需要2.8～3.0 m，則橋梁凈空無法滿足要求。所以，采用鋼結(jié)構(gòu)可以降低梁高以滿足凈空要求。

同時，采用鋼結(jié)構(gòu)利于高烈度區(qū)橋梁抗震，也有利于雙層橋梁施工。

2.3.2 結(jié)構(gòu)體系

本工程雙層高架結(jié)構(gòu)橋面寬，自重大，質(zhì)點高，框架效應(yīng)明顯，地震力大。如何從結(jié)構(gòu)體系上解決雙層橋梁結(jié)構(gòu)的抗震問題，是必須解決的重要課題。

由于層間凈空有限，不具備設(shè)置H 型墩的條件。因為雙層橋上部結(jié)構(gòu)需與下部橋墩立柱結(jié)合起來，統(tǒng)籌考慮結(jié)構(gòu)受力體力?，F(xiàn)對以下4 種體系進(jìn)行討論：

（1）全固結(jié)體系

雙層高架有兩層橋面，該體系上下層橋面與立柱之間采用固結(jié)形式（見圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)體系1 示意圖

從抗震設(shè)計角度看，全固結(jié)體系為延性結(jié)構(gòu)體系。延性體系適合用于墩柱較高的結(jié)構(gòu)，通過墩柱形成塑性鉸進(jìn)行耗能。本工程橋墩立柱高度小，且存在部分不均勻高度，因此橋墩剛度大且不均勻，對塑性鉸發(fā)生及變形不利，不適合采用延性體系。

（2）上層橋面設(shè)支座、下層橋面固結(jié)體系

為改善結(jié)構(gòu)受力，該體系考慮在結(jié)構(gòu)中加入減隔震支座（見圖3）。

圖3 結(jié)構(gòu)體系2 示意圖

為避免在下層橋面設(shè)置牛腿，考慮上層橋面設(shè)支座，下層橋面固結(jié)?？紤]下層橋面地震力較上層橋面地震力大，該種體系未能解決下層橋面的抗震問題，整體隔震效果有限。

（3）上下層橋面均設(shè)支座

該體系上下層橋面均設(shè)置支座，上下層支座均設(shè)為減隔震支座，能有效降低地震力。該方案有兩種做法。

a.上下層共用立柱（見圖4）。該方案下層橋面需開孔讓立柱穿越，需在橋墩立面縱向設(shè)置牛腿，影響美觀。

圖4 結(jié)構(gòu)體系3 示意圖（a）

b.上下層橋面間立柱與下層橋面固結(jié)（見圖5）。該方案的兩層支座受力協(xié)調(diào)問題存疑。

圖5 結(jié)構(gòu)體系3 示意圖（b）

（4）上下層固結(jié)為框架、框架下隔震體系

該體系上下層橋面間立柱與兩層橋面結(jié)構(gòu)固結(jié)為整體框架，受力更好，整體框架下設(shè)隔震支座，通過一層的減隔震支座有效解決了兩層橋面的抗震問題，同時解決了支座布設(shè)的美觀問題和兩層支座的受力協(xié)調(diào)性問題（見圖6）。

圖6 結(jié)構(gòu)體系4 示意圖

經(jīng)過以上對比分析，本工程首創(chuàng)的上下層固結(jié)為框架、框架下隔震體系解決了兩層結(jié)構(gòu)的抗震問題，受力清晰，施工快捷，結(jié)構(gòu)美觀，為本橋推薦體系（見圖7）。

圖7 雙層高架橋

3 工程抗震專項設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)布置

為驗證結(jié)構(gòu)體系選擇的有效性，設(shè)計選取了標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析驗算，對雙層高架橋梁的抗震性能進(jìn)行分析。

本工程雙層高架橋上層寬46 m，下層寬35.5 m。連續(xù)鋼箱梁采用整體箱型斷面，截面等高，上下層鋼結(jié)構(gòu)梁高均為2.2 m。挑臂長度4.25 m，腹板與立柱外表面齊平布置。鋼箱梁采用正交異性鋼橋面板。

雙層高架橋墩采用雙立柱+承臺結(jié)構(gòu)，立柱間距為28 m。中墩立柱標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為2.5 m×2.5 m，過渡墩立柱標(biāo)準(zhǔn)斷面尺寸為3.6 m×2.5 m（見圖8）。立柱底設(shè)鋼筋混凝土承臺，承臺尺寸為10 m×10 m×3 m。每個承臺下采用9 根φ1.5 m 鉆孔灌注樁。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)橫截面

3.2 動力特性分析

3.2.1 動力計算模型的建立

標(biāo)準(zhǔn)段動力特性分析采用有限單元方法，計算軟件采用SAP2000，有限元計算模型均以順橋向為x軸，橫橋向為y 軸，豎向為z 軸。

主梁、橋墩、承臺均離散為空間的梁單元；二期恒載采用分布質(zhì)量模擬。為了模擬樁土共同作用，對于承臺基礎(chǔ)，采用在承臺底中心加6×6 的土彈簧來模擬。

為考慮邊聯(lián)橋的影響，在進(jìn)行時程分析時，采用三聯(lián)模型，如圖9 所示。

圖9 SAP 計算模型

3.2.2 動力特性計算

根據(jù)建立的動力計算模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力特性分析。表1 列出了前4 階振型的頻率和振型特征。圖10 為第一階典型振型圖示。

表1 動力特性

圖10 第一階：第二聯(lián)縱向一致振動

從表1 可以看出，雙層高架動力特性與單層連續(xù)梁橋有相近之處。可見，在地震作用下，本結(jié)構(gòu)體系將復(fù)雜的雙層高架橋受力轉(zhuǎn)化為單層受力，驗證了體系選擇的有效性。

3.3 結(jié)構(gòu)抗震性能研究

3.3.1 常規(guī)體系非線性時程分析

根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜擬合地震動時程，利用非線性時程分析方法，對非線性動力有限元模型進(jìn)行地震反應(yīng)分析。地震輸入組合為縱向和橫向。時程分析的最終結(jié)果，采用3 組地震加速度時程計算時，取各組計算結(jié)果的最大值。非線性時程的結(jié)果統(tǒng)計如圖11所示。

圖11 常規(guī)體系能力需求比

由常規(guī)體系E2 地震響應(yīng)及計算可以發(fā)現(xiàn)，E2地震作用下，橋墩抗震能力嚴(yán)重不足，特別是縱橋向地震輸入下，固定墩截面能力需求比只有0.21。

如果通過調(diào)整截面尺寸、增加截面配筋進(jìn)行調(diào)整，則截面尺寸增加較大，不具可行性。

3.3.2 減隔震體系非線性時程分析

將普通支座調(diào)整為減隔震支座，進(jìn)行減隔震體系的非線性時程分析，并對摩擦擺支座和拉索支座的性能進(jìn)行了對比。摩擦擺支座和拉索支座的設(shè)計參數(shù)根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選取，結(jié)果如圖12 所示。

圖12 減隔震體系能力需求比

減隔震體系中，橋墩配筋方案均按照E1 地震下，支座剪切滑動時刻的地震內(nèi)力控制。驗算表明，橋墩及樁基抗彎能力均可滿足抗震設(shè)防要求。

3.3.3 抗震性能分析小結(jié)

結(jié)構(gòu)常規(guī)體系E1/E2 地震作用下，橋墩、樁基截面抗震能力不足；需調(diào)整橋墩、樁基的截面尺寸、配筋，增加支座水平抗剪能力，不具可行性。

減隔震體系下，對于摩擦擺支座體系，E2 地震作用下，墩柱能力需求比略大，截面抗彎能力未充分利用以限制支座位移。

拉索摩擦擺支座在E2 地震作用下，充分利用了下部結(jié)構(gòu)抗彎能力情況，有效地控制了支座位移，合理平衡了地震內(nèi)力與地震位移的矛盾。

設(shè)計中結(jié)合力與位移的實際需求，選取合適的減隔震支座。

4 結(jié)語

本工程為國內(nèi)首次在8 度高震區(qū)的雙層高架橋梁采用上下層間立柱與兩層橋面結(jié)構(gòu)固結(jié)為框架、框架下設(shè)隔震體系的雙層高架橋梁。采用減隔震設(shè)計后，在E2 地震作用下，橋墩、樁基均保持彈性，支座位移能力滿足要求。

綜上所述，本工程采用的結(jié)構(gòu)體系及抗震設(shè)計新方案很好地滿足了高震區(qū)條件下的安全性和適用性，為今后類似工程設(shè)計提供了新的思路和有益的參考。